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學(xué)術(shù)論文

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一文搞定焊接延遲裂紋

延遲裂紋的危害

        在焊接生產(chǎn)過(guò)程中,由于鋼種和焊接結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同會(huì)出現(xiàn)各種裂紋。裂紋的形態(tài)和分布特征是很復(fù)雜的,有焊縫的表面裂紋、內(nèi)部裂紋,有熱影響區(qū)的橫向裂紋、縱向裂紋,有焊縫和焊道下的深埋裂紋,也有在弧坑處出現(xiàn)的弧坑裂紋。值得關(guān)注的是,裂紋有時(shí)出現(xiàn)在焊接過(guò)程中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在焊接完成后放置過(guò)程的幾小時(shí)或幾天后,也有的在運(yùn)行過(guò)程中幾年,甚至十幾年后才出現(xiàn)。裂紋開(kāi)始少量出現(xiàn),隨著時(shí)間增長(zhǎng)逐漸增多和擴(kuò)展,這類(lèi)裂紋就是延遲裂紋。延遲裂紋在制造過(guò)程中沒(méi)被發(fā)現(xiàn),在使用過(guò)程中就可能造成極其嚴(yán)重的后果,所以比一般裂紋的危害性更大。

    延遲裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展是緩慢的、間歇式的,它不僅給生產(chǎn)帶來(lái)許多困難,而且可能帶來(lái)災(zāi)難性的事故。氫致延遲裂紋而導(dǎo)致的事故在國(guó)內(nèi)外都常有發(fā)生,據(jù)1965年英國(guó)的統(tǒng)計(jì),在英國(guó)發(fā)生破壞的132臺(tái)壓力容器中,由于延遲裂紋引起的破壞就有118臺(tái),占破壞總數(shù)的89.3%。日本的焊接技術(shù)在國(guó)際上處于非常高的水平,但是其某公司生產(chǎn)球罐144臺(tái),在使用過(guò)程中從45臺(tái)球罐中檢測(cè)出裂紋1471條,其中屬于延遲裂紋的就有1248條。

延遲裂紋的形成機(jī)理

    延遲裂紋的形成與鋼的淬硬傾向、焊接接頭的含氫量及其分布、焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。延遲裂紋有的沿晶界擴(kuò)展,有的穿晶前進(jìn),這與焊接接頭的金相組織、應(yīng)力狀態(tài)以及氫的含量有關(guān)。一般延遲裂紋多為穿晶裂紋(裂紋穿過(guò)晶界進(jìn)入晶粒),其成因是由于焊道熱影響區(qū)的低塑性組織承受不了冷卻時(shí)的體積變化及組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的應(yīng)力而開(kāi)裂,或是由于焊縫中的氫原子相互結(jié)合形成分子狀態(tài)進(jìn)入金屬的細(xì)微孔隙中時(shí)形成巨大的內(nèi)應(yīng)力與焊接拘束應(yīng)力的共同作用下致使焊縫開(kāi)裂(稱(chēng)為氫致裂紋)。

    1.延遲裂紋的分類(lèi)

    延遲裂紋分為焊趾裂紋、焊道下裂紋和根部裂紋。

    (1)焊趾裂紋產(chǎn)生于母材與焊縫交界處,有明顯的應(yīng)力集中傾向,裂紋走向一般與焊道平行。

    (2)焊道下裂紋發(fā)生在淬硬傾向較大,含氫量較高的焊接熱影響區(qū),裂紋走向一般與熔合線(xiàn)平行。

    (3)根部裂紋可能出現(xiàn)在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)域,也可能出現(xiàn)在焊縫金屬中,取決于母材和焊縫的力學(xué)性能及焊縫根部的形狀。

    2.產(chǎn)生延遲裂紋的原因

    鋼的淬硬傾向、焊接接頭的含氫量及其分布、焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)是中高強(qiáng)度低合金鋼產(chǎn)生延遲裂紋的三個(gè)要素。它們相互作用、相互影響,必然有一種或兩種起主導(dǎo)作用,其中關(guān)鍵性的因素是含氫量。焊縫中的氫是在潮濕氣氛中、在焊接的高溫下以原子的狀態(tài)溶入焊縫金屬的,冷卻后鋼對(duì)氫的溶解度變小,氫原子聚集分布廣,已無(wú)法逸出焊縫,便形成巨大的內(nèi)應(yīng)力,致使裂紋開(kāi)裂。斷口上常有白色斑點(diǎn),稱(chēng)為氫白點(diǎn)。因此,延遲裂紋也稱(chēng)為氫致裂紋。

    (1)金屬的淬硬程度 焊接過(guò)程中,在焊接熱循環(huán)作用下,金屬熱影響區(qū)和半熔化區(qū)易形成馬氏體等淬硬組織,在近縫區(qū)由于加熱溫度高,晶粒粗大,使這里的焊縫組織塑性大大降低,焊接接頭性能脆化。在焊接拘束應(yīng)力作用下,產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力,使晶粒內(nèi)部破裂,形成開(kāi)裂。

    (2)焊縫接頭的應(yīng)力狀態(tài) 焊接接頭的應(yīng)力來(lái)自三方面:①焊縫和熱影響區(qū)在不均勻加熱和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。在焊接時(shí),焊接區(qū)由于受熱面發(fā)生膨脹因而承受壓應(yīng)力,冷卻時(shí)受熱面收縮承受拉應(yīng)力。應(yīng)力的大小與母材和填充金屬的熱物理性質(zhì)有關(guān),也與結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān),在應(yīng)力作用下,會(huì)引起氫的聚集,誘發(fā)氫致裂紋。②焊接接頭不均勻的組織轉(zhuǎn)變所引起的組織應(yīng)力。高強(qiáng)鋼奧氏體分解時(shí)(析出鐵素體、珠光體和馬氏體),引起體積膨脹,而轉(zhuǎn)變后的組織都具有較小的膨脹系數(shù),會(huì)減輕焊后收縮時(shí)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力,從這點(diǎn)看相變時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)降低裂紋傾向。③焊接接頭受焊接剛性拘束產(chǎn)生的拘束應(yīng)力。這種應(yīng)力與結(jié)構(gòu)的剛度、焊縫位置、焊接順序、構(gòu)件自重以及載荷情況等因素有關(guān)。

    3.熔敷金屬中擴(kuò)散氫的含量

    延遲裂紋的產(chǎn)生與焊接接頭的含氫量有直接關(guān)系,溫度是影響焊接接頭氫擴(kuò)散、逸出的重要因素。在焊接過(guò)程中,液態(tài)金屬所吸收的氫,有一部分在熔池結(jié)晶過(guò)程中可以逸出,但熔池的結(jié)晶速度很快,還有相當(dāng)多的氫來(lái)不及逸出,而被留在固態(tài)焊縫金屬中。這對(duì)焊縫的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響,形成巨大的內(nèi)應(yīng)力,致使焊縫開(kāi)裂。實(shí)際上真正導(dǎo)致產(chǎn)生延遲裂紋的氫被稱(chēng)為擴(kuò)散氫,因其能在固態(tài)金屬中自由擴(kuò)散而得名。擴(kuò)散氫是導(dǎo)致氫白點(diǎn)、氫脆、氫致裂紋即延遲裂紋等缺陷產(chǎn)生的重要因素。

    4.焊縫中氫的來(lái)源

    焊接過(guò)程中進(jìn)入熔池的氫主要來(lái)源于焊接材料中的水分、含氫物質(zhì)、電弧周?chē)諝獾乃魵、焊絲和母材坡口表面上的水、鐵銹及油污等雜質(zhì)。

    焊接時(shí)焊縫和熱影響區(qū)吸收了氫,而焊接接頭又存在復(fù)雜的應(yīng)力,特別是當(dāng)焊縫存在微小裂紋和夾渣時(shí),會(huì)造成三向應(yīng)力區(qū),在三向應(yīng)力區(qū)存在的應(yīng)力梯度,促使氫的擴(kuò)散,使氫逐漸向三向應(yīng)力區(qū)集中。當(dāng)三向應(yīng)力區(qū)的含氫量達(dá)到臨界濃度后,金屬原子鍵破裂,裂紋擴(kuò)展。隨著裂紋擴(kuò)展,該區(qū)應(yīng)力釋放,多余的氫由新的裂紋面向外擴(kuò)散,在新的裂紋端再重復(fù)上述過(guò)程,直至裂紋開(kāi)裂。氫的擴(kuò)散、聚集和誘發(fā)需要時(shí)間,因此產(chǎn)生延遲。

延遲裂紋的防止措施

    1.工藝方面

    建立低氫的焊接環(huán)境,選用低氫焊接材料和低氫焊接工藝,如采用CO2氣體保護(hù)焊可獲得低氫焊縫。

    盡量選擇低強(qiáng)焊材,以降低焊接接頭的應(yīng)力,當(dāng)焊接接頭的強(qiáng)度低于母材時(shí),拉伸應(yīng)力可通過(guò)塑性變形釋放。

    采用合理的焊接順序,焊接時(shí)先焊收縮量較大的焊縫,后焊收縮量較小的焊縫,使焊縫能夠自由收縮,以降低焊接拘束應(yīng)力。

    (1)制定合理的焊接規(guī)范及熱輸入,控制冷卻時(shí)間,可以改善焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能。

    (2)焊前預(yù)熱,控制層間溫度,降低冷卻速度,以便氫的擴(kuò)散,可有效地防止延遲裂紋的產(chǎn)生。

    (3)低溫消氫處理加速氫的擴(kuò)散。延遲裂紋一般在焊后幾小時(shí)或幾天之后才會(huì)產(chǎn)生。若能在產(chǎn)生裂紋以前及時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行后熱處理(消氫處理),在300℃對(duì)焊縫進(jìn)行加熱,使殘留在固態(tài)焊縫金屬中的氫加速擴(kuò)散和逸出,可在一定程度上起到降低焊接殘余應(yīng)力的作用,改善焊接接頭組織,有效防止延遲裂紋。

    (4)對(duì)厚鋼板采用多層多道焊。前一層對(duì)后一層預(yù)熱,后一層對(duì)前一層起熱處理作用,降低了殘余應(yīng)力的作用,改善了焊接接頭組織。

    (5)錘擊焊縫表面,使其產(chǎn)生壓應(yīng)力,以改善焊縫應(yīng)力場(chǎng),減小延遲裂紋產(chǎn)生的幾率。

    (6)對(duì)有延遲裂紋傾向的材料,應(yīng)在焊后24h進(jìn)行檢測(cè),以防止延遲裂紋的漏檢。

    2.冶金方面

    (1)控制氫的來(lái)源。盡量選擇低氫或超低氫焊材,焊材使用前要烘干,清理焊絲、焊縫坡口上的水、鐵銹和油污等雜質(zhì)。

    (2)選用堿性低氫焊條,藥皮中加氟石可降低焊縫中的氫含量。

    (3)合理選擇焊縫金屬的合金成分,適當(dāng)加入某些合金元素,提高焊縫金屬的韌性和焊縫抗裂能力。

    (4)對(duì)難焊和易開(kāi)裂的鋼,選用奧氏體不銹鋼焊條,由于奧氏體對(duì)氫的溶解度大,沒(méi)有氫焊縫就不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂。

    3.降低焊接應(yīng)力

    (1)設(shè)計(jì)合理的焊接接頭,多采用對(duì)接接頭,避免搭接接頭,焊縫外形設(shè)計(jì)應(yīng)合理,焊縫布置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離截面突變處,焊縫余高不能過(guò)高,焊縫接頭截面要圓滑過(guò)渡,以減小焊縫拘束度,避免過(guò)高的應(yīng)力集中。

    (2)避免密集焊縫,采用合理的焊接順序,以減少焊縫剛度。

結(jié)語(yǔ)

    影響延遲裂紋的原因很多,它與設(shè)計(jì)、材料、工藝、焊接、維護(hù)保養(yǎng)及使用管理等各方面的因素有關(guān)。正確地選擇預(yù)熱、后熱和焊后熱處理可有效地防止延遲裂紋,而對(duì)設(shè)備每年的檢驗(yàn)、檢修是發(fā)現(xiàn)事故隱患,防止、杜絕延遲裂紋的發(fā)展、斷裂,引起事故的重要措施。應(yīng)從全方位進(jìn)行綜合控制,使設(shè)備處于良好的工作狀態(tài),對(duì)防止設(shè)備因延遲裂紋而引起失效或推遲設(shè)備失效的時(shí)間是可行的.


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